PENGARUH WAKTU PEMANASAN TERHADAP REGANGAN KISI DAN KONDUKTIVITAS PADUAN ZIRKONIUM
Pengaruh Waktu Pemnasan Terhadap Regangan Kisi
ISSN 0852-4777
dan Konduktivitas Paduan Zirkonium (P. Purwanto)
PENGARUH WAKTU PEMANASAN TERHADAP REGANGAN
KISI DAN KONDUKTIVITAS PADUAN ZIRKONIUM
P. Purwanto
Pusat Tekonologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN)-BATAN
, 15314
Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan
Email :
(Naskah diterima : 06-12-2010, diproses : 20-12-2010) ABSTRAK.
PENGARUH WAKTU PEMANASAN TERHADAP REGANGAN KISI DAN KONDUKTIVITAS
PADUAN ZIRKONIUM. Paduan zirkonium atau zirkaloy-4 diperoleh dari Pusat Elemen Bahan
o oNuklir. Zirkaloy-4 dilakukan perlakuan panas pada temperatur 300 C dan 500 C dengan lamanya pemanasan mulai 0 sampai 8 jam, kemudian di dinginkan secara cepat pada air bebas mineral. Selanjutnya dilakukan pengujian struktur kristal paduan zirkonium dengan difraksi sinar-x dan konduktivitas listrik dengan teknik LCR. Dari hasil penelitian ini diperoleh bahwa lama waktu perlakuan panas terhadap zirkaloy-4 dapat mempengaruhi konduktivitas listrik dan kapasitansinya. Konduktivitas listrik zirkaloy-4 naik dan kapasitansi berkurang seiring dengan lama waktu perlakuan panas. Struktur kristal zirkaloy-4 mempunyai struktur heksagonal tumpukan padat (HCP). Ukuran butiran zirkaloy-4 naik seiring dengan lamanya perlakuan panas. Regangan kisi zirkaloy-4 menurun seiring dengan lamanya waktu pemanasan.
Kata kunci:Zirkaloy, termal, difraksi sinar-x, konduktivitas. ABSTRACT.
INFLUENCE OF HEATING TIME ON THE ZIRCALLOY AGAINTS LATTICE STRAIN AND
CONDUCTIVITY OF ZIRCALLOY. Zirconium alloy or zircalloy-4 was gotten from Nuclear Material
oElement Centre. The zircalloy-4 had been done heat threatment at the temperature 300 C and 500
oC with it long heating at begin 0 to 8 hours, then quenching in the demineral water. The
observation of zircalloy-4 had been done with x-ray diffraction and conductivity of electric test by
XRD and LCR. The result of experiment to showed that time of heat treathment on zircalloy-4 can be
influence electric conductivity and it capacitance. Electirc conductivity of zircalloy-4 was increasing
with increasing in time heating. Capasitance of zircalloy-4 was decreased with increasing in time
heating The profile by diffraction of zircalloy-4 show the crystall structure was hexagonal closed
packet (HCP). The size grain of zircalloy-4 was increased with increasing of time heat threatment.
The strain of zircalloy-4 was decreased with increasing of time heat threatment.Key words: Zircalloy, themal,x-ray diffraction, conductivity. Urania
ISSN 0852-4777 Vol. 17 No. 1 Februari 2011: 1 - 54
PENDAHULUAN TEORI.
[7],
Zirkaloy adalah suatu paduan logam Sifat fisis dan mekanik zirkaloy-4 yang digunakan sebagai kelongsong pada ditunjukkan pada Tabel 2. elemen bahan bakar Reaktor nuklir.
Tabel 1. Sifat fisis dan mekanik zirkaloy-4 Pemakaian logam zirkonium sebagai
Sifat fisis Nilai
kelongsong telah disempurnakan dengan 3 Kerapatan pada 6,56 g/cm menambahkan unsur Sn, Fe, Cr dan Ni o temperatur 20 C kedalam logam zirkonium menjadi paduan [1,2]. o zirkaloy-2
Struktur Kristal fasa- α HCP(T<865 C ) o Struktur Kristal fasa- BCC(T>865
C) β
Zirkaloy-4 mempunyai bentuk struktur o o Titik leleh 1850 C kristal heksagonal pada temperatur T<865 C o
Titik didih 4375 C yang dikenal sebagi fasa- α. Sedangkan pada o Koeffisien ekspansi, 6,0 temperatur T>865 C zirkaloy-4 mempunyai o o -6
T=25 C per Cx10 struktur kristal kubus pusat ruang yang [3] o Panas jenis 285 (kal/g. K) dikenal sebagai fasa- β . Perlakuan dan
Sifat mekanik
waktu pemanasan pada zirkaloy-4 akan Modulus Elastis 99,3 GPA mempengaruhi struktur kristal, konduktivitas Modulus Geser 36,2 GPA listrik dan sifat korosi sebagai kelongsong [4-6 ].
Poisson Rasio 0,37 bahan bakar nuklir Dalam penelitian ini akan dilakukan
Konduktivitas listrik suatu bahan perlakuan panas pada zirkaloy-4 pada o o ditentukan oleh struktur kristalnya, misalnya temperatur 300 C dan 500 C dengan variasi bahan dengan konduktivitas tinggi waktu pemanasan yaitu 3 jam, 5 jam dan 8 mempunyai tipe struktur kristal dengan jam, dilanjutkan dengan pendinginan cepat tumpukan atom tidak padat, sehingga pada media air bebas minenal mempunyai jaringan untuk dilewati ion yang
Perlakuan panas pada zirkaloy-4 o bergerak. dilakukan pada temperatur 300 C dan 500 o [8,9]
Persamaan konduktivitas listrik : C dengan variasi waktu yang berbeda. Setelah perlakuan panas, dilakukan
(1) J = pengujian dengan difraksi sinar-x, dan konduktivitas listrik. Parameter-parameter menghubungkan antara kerapatan arus, J yang ditentukan yaitu regangan kristal,
, dimana dan medan listrik, kapasitan dan konduktivitas.
. konduktivitas, kebalikan dari resistivitas
Zirkaloy-4 merupakan suatu bahan Misalnya arus I pada sebuah sampel bahan paduan yang digunakan sebagai bahan 2 dengan penampang tetap A (m ) dan pembungkus bahan baker reaktor nuklir atau panjang L (m) dan diberi tegangan V pada sebagai cladding. Untuk mengetahui bahan yang diukur, ditunjukkan pada seberapa jauh terjadi interaksi antara bahan Gambar 1. zirkaloy-4 terhadap radiasi, dilakukan metode
Kerapatan arus J adalah I/A lain yaitu dengan mengukur konduktivitas 2 adalah V/L
(Ampere/m ), dan medan listrik bahan zirkaloy-4 terhadap lamanya perlakuan o o (V/m) persamaan 1, direduksi menjadi : panas pada temperatur 300 C dan 500
C. Dengan mengetahui konduktivitas listrik, regangan kristal zirkaloy-4 dapat diprediksi
V/L (2) I/A = 1/ ketahanan korosi pada zirkaloy-4 tersebut. ISSN 0852-4777 Pengaruh Waktu Pemnasan Terhadap Regangan Kisi dan Konduktivitas Paduan Zirkonium (P. Purwanto)
Tahanan R dari bahan diberikan sebagai R= V/I maka :
I V L A
Konduktansi, G = 1/R, resistivitas, = 1/, maka persamaan 3, ditulis : = G (L/A) (4) satuannya adalah m
- -1 atau Siemen/m.
Konduktivitas listrik sebagai fungsi temperatur dapat didekati dengan model Arrhenius [10] yaitu :
TATA KERJA
= (
/kT) exp (-E a /kT) (5) dimana
, k, T, Ea adalah konstanta eksponen, konstanta Boltzman, temperatur (Kelvin) dan energi aktivasi.
Dengan teknik difraksi sinar-x dapat dihitung regangan kisi dan ukuran butiran zirkaloy-4 dengan mempergunakan persamaan pada acuan [11] , yaitu:
R = V/I = L/A ( ), atau = RA/L (
Gambar 1. Pengukuran konduktivitas ionik.
Zirkaloy-4 dalam bentuk kelongsong dengan ukuran diameter luar 1,062 cm dan diamter dalam 0,91 cm dipotong 1 cm, dipanaskan pada temperatur 300 o C dan
500 o C dengan waktu pemanasan divariasi 1 sampai 8 jam. Dilanjutkan dengan pendinginan cepat di dalam air bebas mineral. Kemudian dilakukan pengujian difraksi sinar-x, konduktivitas listrik.
HASIL DAN PEMBAHASAN.
Gambar 2(a-d) berturut-turut adalah puncak difraksi sinar-x sebelum dan sesudah perlakuan panas pada temperatur 300 o
C, sedangkan Gambar 3(a-d) perlakuan panas pada temperatur 500 o C dengan lama perlakuan panas beda. Dari hasil Gambar 2 dan 3, zirkaloy-4 sebelum dan sesudah perlakuan panas mempunyai puncak puncak difraksi sama. Struktur kristal zirkaloy-4 adalah heksagonal tumpukan padat (HCP), hal ini menunjukkan bahwa lama perlakuan panas tidak mempengaruhi struktur kristal zirkaloy-4.
Gambar 2 dan 3, dihitung sudut 2θ dan lebar setengah puncak dengan
a. Difraksi sinar-x zirkaloy-4.
( .cos ) / = 0,9/D + (2 sin )/ (6) dimana: adalah lebar setengah puncak difraksi (FWHM), adalah sudut Bragg, adalah panjang gelombang sinar-x, D adalah ukuran kristal dan adalah regangan kisi. Urania Vol. 17 No. 1, Februari 2011:
Sudut 2θ dan β diperoleh dari perhitungan dengan mempergunakan program Igor.
ISSN 0852-4777
0002 1011 1012 1120 1013 1122 0004 a b c d
20
30
40
50
60
70
80 2 theta In te n s it a s
200 400 600 800
200 400 600 800
1000 1200 1400
20
30
40
50
60
70
80 2 theta In te n si ta s
1000 1200
menggunakan program Igor, hasil perhitungan ditunjukkan pada Tabel 2.
Gambar 2. Puncak difraksi zirkaloy-4.
Zr4-
(A) 0 jam .
(b) 3 jam. (c) 5 jam (d) 8 jam.
Gambar 3. Puncak difraksi zirkaloy-4.
(a) 0 jam . (b) 3 jam. (c) 5 jam (d) 8 jam.
Tabel 2a. Hasil perhitungan 2 dan zirkaloy- 4 setelah perlakuan T = 300 o C.
Waktu 2θ sin
/ (cos Zr4-
0J 35,379 0,0564 0,197 0,0348 37,021 0,1039 0,206 0,0639 57,428 0,1212 0,312 0,0689 63,980 0,1352 0,344 0,0689 68,930 0,1160 0,367 0,0620
3J 35,886 0,0201 0,200 0,0124 37,566 0,0357 0,209 0,0219 57,885 0,0492 0,314 0,0279 64,424 0,0794 0,346 0,0436 68,371 0,0813 0,364 0,0436
Zr4-3J 35,400 0,0129 0,197 0,0080 37,091 0,0201 0,206 0,0124 57,460 0,0434 0,312 0,0247 63,983 0,0473 0,344 0,0260 68,962 0,0596 0,367 0,0319
Zr4-
5J 35,723 0,0228 0,199 0,0141 37,415 0,0320 0,208 0,0197 57,752 0,0505 0,313 0,0287 64,268 0,0652 0,345 0,0358 69,232 0,0883 0,368 0,0471
Zr4-
8J 34,366 0,0178 0,192 0,0110 36,044 0,0377 0,201 0,0232 56,401 0,0746 0,306 0,0426 62,962 0,0701 0,339 0,0388 67,936 0,0816 0,362 0,0439
Tabel 2b. Hasil perhitungan 2 dan zirkaloy- 4 setelah perlakuan T =500 o C. Waktu 2θ
sin / (cos
/
Zr4-0J 35,381 0,0552 0,197 0,0341 37,021 0,1041 0,206 0,0640 57,432 0,1437 0,312 0,0817 63,983 0,1335 0,344 0,0734 68,930 0,1149 0,367 0,0614
Zr4-5J 34,956 0,0116 0,195 0,0072 36,642 0,0194 0,204 0,0119 57,047 0,0339 0,310 0,0193 63,585 0,0488 0,342 0,0269 68,578 0,0515 0,365 0,0276 0002 1011 1012 1120 1013 1122 0004 a b c d
Pengaruh Waktu Pemanasan Terhadap Regangan
ISSN 0852-4777
Kisi dan Konduktivitas Paduan Zorkonium (P. Purwanto)
Zr4-8J 35,400 0,0146 0,197 0,0090 Zr4-3 jam 59,21 6,27 37,090 0,0253 0,206 0,0156
Zr4-5 jam 69,77 5,80 57,697 0,0387 0,313 0,0220
Zr4-8 jam 88,23 3,99 64,211 0,0467 0,345 0,0257 68,187 0,0599 0,364 0,0322
Dari Tabel 2, dilakukan perhitungan 0,11 dengan menggunakan persamaan (6). Dengan dibuat kurva antara ( .cos./ 0,06
/ )
terhadap sin. /
s co
garis regresi linier dengan masing-masing
0,01 ( 0 jam 3 jam
persamaan sebagai berikut: o 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 -0,04 5 jam 8 jam (a). Perlakuan panas T=300 C sin /
Y( 0 jam ) = 0,127.x - 0,025 Gambar 4 .Hubungan kurva ( cos
Y( 3 jam ) = 0,166.x
- – 0,018 terhadap sin setelah
Y( 5 jam ) = 0,159.x
- – 0,017 o perlakuan panas 300 C. Y( 8 jam ) = 0,
- – 0,015 o
(b). Perlakuan panas T= 500 C Y( 0 jam ) = 0,139.x
- – 0,024 Y( 3 jam ) = 0,125.x
- – 0,015 Y( 5 jam ) = 0,111.x
- – 0,013 Y( 8 jam ) = 0,109.x
- – 0,010 Dari persamaan garis regresi linier tersebut, ukuran butiran dan regangan kisi dihitung, hasil ditunjukkan pada Tabel 3.
Gambar 5 . Hubungan kurva ( cos terhadap sin / setelah Tabel 3a.Ukuran butiran (D) setelah o perlakuan panas 500
C. perlakuan panas pada temperatur o 300 C. o Gambar 4 dan 5, hubungan kurva antara ( cos terhadap sin untuk
Nama D ( A ) η(%) perhitungan ukuran butiran dan regangan kisi. Zr4-0 jam 36,44 6,33
Dari Gambar tersebut diperoleh garis lurus, kemiringan garis merupakan regangan kisi Zr4-3 jam 51,14 8,29 dan konstanta merupakan ukuran butiran.
Zr4-5 jam 54,88 7,93 Pada Tabel 3a dan Tabel 3b, ukuran
Zr4-8 jam 59,60 8,40 butiran zirkaloy-4 naik dan regangan kisi turun seiring dengan lama waktu perlakuan panas. Sedangkan regangan kisi pada
Tabel 3b. Ukuran butiran (D) setelah o perlakuan panas 300 C, dengan lama waktu perlakuan panas pada o pemanasan 5 jam seharusnya naik tetapi temperatur 500
C. o turun, hal ini menunjukkan adanya Nama D ( A ) η(%) pergeseran pada lebar setengah puncak akibat waktu penekanan dan distribisi
Zr4-0 jam 38,29 6,93 kehomogenan dari permukaan sampel.
ISSN 0852-4777
- 20 20 40 60 80 100 -1 1 3 5 7 9 lam a pem anas an ( jam ) bu tira n ( o
- -10 butiran regangan 10 30 50 70 -1 1 3 5 7 9 lam a pem anas an ( jam ) b ut ira n ( o A
- -1 -1 ) ( F
- -1 -1 g lo
- -2 -1 1 2 3 4 5 6 o 1 = konduktivitas setelah perlakuan panas o log f ( Hz ) pada T = 300
- -1 -1 -2 5 jam 8 jam
- -10 Sedangkan konduktivitas setelah perlakuan o
- -12 panas 500
Pengukuran konduktivitas listrik zirkaloy-4 dilakukan pada frekuensi 0,1 Hz- sampai 100 kHz., ditunjukkan pada Gambar 8 dan 9.
= log o + s log f. (8)
adalah konduktivitas listrik (S/cm), o konduktivitas listrik yang tidak tergantung frekuensi dan s faktor eksponen, persamaan (7) diubah ke bentuk logaritma yaitu : log
Perhitungan konduktivitas listrik pada zirkaloy-4 menggunakan model [12] , dengan persamaan konduktivitas : = o f s (7) dimana:
Gambar 9. Konduktivitas listrik zirkaloy-4 setelah perlakuan panas pada temperatur 500 o C.
Gambar 8. Konduktivitas listrik zirkaloy-4 setelah perlakuan panas pada temperatur 300 o C.
Gambar 7. Hubungan antara butiran dan regangan zirkaloy-4 terhadap lamanya waktu pemanasan pada temperatur 500 o C.
Urania Vol. 17 No. 1, Februari 2011:
Gambar 6. Hubungan antara butiran dan regangan zirkaloy-4 terhadap lamanya waktu pemanasan pada temperatur 300 o C.
Apabila dilihat pada Gambar 6 dan 7, perubahan pada regangan pada perlakuan panas 300 o C tidak signifikan dalam skala amstrom.
), re ga ng an (% ) butiran regangan
A), re ga ng an ( % )
( S/ cm ) 0 jam 3 jam 5 jam 8 jam
0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 -2 -1 1 2 3 4 5 6 log f ( Hz ) lo g
b. Konduktivitas listrik zirkaloy-4.
Pengaruh Waktu Pemanasan Terhadap Regangan
ISSN 0852-4777
Kisi dan Konduktivitas Paduan Zorkonium (P. Purwanto)
Dengan mempergunakan persamaan Pengukuran kapasitansi zirkaloy-4 (8) dapat ditentukan nilai konduktivitas listrik dilakukan pada frekuensi 0,1 Hz-sampai 100 zirkaloy-4 ditunjukkan Tabel 4. kHz., ditunjukkan pada Gambar 10 dan 11.
Tabel 4. Konduktivitas listrik zirkaloy-4 o o
Sampel 1 (S/cm) -1 -1 2 (S/cm) -1,0 Zr-0 jam 10,79 10 11,42 10 -1 -1 5 jam 8 jam 0 jam 3 jam
10 10 Zr-3 jam 11,23 38,67 -3,0
Zr-5 jam 11,58 10 45,29 10
p -5,0 C
10 10 Zr-8 jam 11,57 46,28 -9,0 -7,0
Keterangan:
C.
Gambar 10. Kapasitansi zirkaloy-4 setelah o 2 = konduktivitas setelah perlakuan panas o perlakuan panas pada pada T = 500
C. o temperatur 300 C.
Zr-0 sampai Zr-8 = lama waktu pemanasan.
Pada Tabel 4, nilai konduktivitas 0 jam 3 jam listrik zirkaloy-4 sebelum perlakuan panas
10,79 10 sampai 11,42 10 . Konduktivitas -4
)
listrik setelah perlakuan panas pada ( F o p -6 C temperatur 300 C relatif konstan seiring g
lo -8 dengan lamanya perlakuan panas.
C, naik seiring dengan lamanya -2 -1 1 2 3 4 5 6 waktu pemanasan. log f ( Hz ) Kurva konduktivitas listrik pada
Gambar 11. Kapasitansi zirkaloy-4 setelah Gambar 8 dan 9 terlihat agak datar pada perlakuan panas pada o selang frekuensi 0,1 Hz sampai 1000 Hz, hal temperatur 500 C. ini menunjukan suatu “ DC ( Direct Current ) “ yang berarti konduktivitas listrik zirkaloy-4
Pada Gambar 10 dan 11, kapasitansi tidak tergantung pada frekuensi. Dengan pada zirkaloy-4 dengan lama waktu perlakuan mengetahui konduktivitas listrik pada panas turun seiring dengan naiknya zirkaloy-4, menunjukkan korosi agak lambat frekuensi. Sedangkan pada Gambar 10 pada jika konduktivitasnya naik dan sebaliknya. frekuensi diatas 1 kHz kapasitansi datar. Turunnya kapasitansi ini, karena zirkaloy-4 c. Kapasitansi zirkaloy-4. tidak dapat menyerap energi getaran yang diberikan berupa energi phonon sehingga energi phonon terbuang. Urania Vol. 17 No. 1, Februari 2011:
ISSN 0852-4777
SIMPULAN
[7].
[12]. W.K. LEE , J.F. LIU and A.S NOWICK, (1991). Phys Rev Lett, 67 1559-1561.
[11]. H.P. KLUG and L.E. ALEXANDER,”X- Ray Diffraction Procedures” (1954), John Wiley & Son, New York, 755-786.
VAN VLACK L.H,”Ilmu dan Teknologi Bahan”, Alih bahasa Sriati Djaprie, Penerbit Erlangga,
[10].
[9]. SMALLMAN RE, (1991)."Metalurgi Fisik Modern", Alih bahasa Sriati Djaprie, Penerbit Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.
Principle and Applications“, North Holland Publish Co, Amsterdam, hal. 17-28.
“Superionic Solid,
[8]. S. CHANDRA, (1995).
ASM, (1992).“ Properties and Selection : Non ferrous Alloy and Special Purpose Mat erial “, ASM Handbook 2.
[6]. ERIC J, WIJAKSANAN dan MUKLIS B, “Efek Pengulangan Melting Paduan Zirkaloy-4 Terhadap distribusi Konstit uen Mudah Menguap“, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-Batan,Yogyakarta, hal. 209-213.
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa lama waktu perlakuan panas terhadap zirkaloy-4 dapat mempengaruhi nilai konduktivitas listrik, kapasitansi dan regangan kisi. Konduktivitas listrik zirkaloy-4 naik seiring dengan lamanya waktu pemanasan, kecuali pada temperatur perlakuan panas 300 o
“Karakterisasi Panas Jenis Zirkaloy-4 Sn Rendah Dengan Variabel Konsentrasi Fe“, J.Tek.Bhn.Nukl 2, No.1, hal.13-20.
[5]. ANDI C, SUGONDO dan ASLINA Br G, (2006).
“Effect of b- Heat Treatment on Micro Structure and Mechancal Anisotrop of Zircalloy-4 Fuel Cladding“, J of Sci Tech 26, ha.165- 170.
“ Annual Book of ASTM Stan darts “, Vol.12, Nuclear Energy. [4]. JUNG S.H, KIM.I, (1989).
[3.] ASTM, (1990).
’’ Pengaruh Aplikasi Metode Standar internal pada Penentuan Unsur Cr dan Ni dalam Zirkaloy-2 dengan Metode Spektrometri Emisi “,J.Uranian 15, No.2 hal.78-85.
“ The Metallurgy of zirconium“,Mc-Graw-Hill Book Co, New York. [2]. DIAN , YUSUF N dan JOKO K, (2009).
DAFTAR ACUAN [1]. BENYAMIN L, (1955).
Peneliti mengucapkan terima kasih kepada teman-teman di BKAN-PTBIN yang telah membantu dalam penelitian ini. Peneliti mengucapkan terima kasih atas pemakaian alat XRD, LCR dan pemanas.
C. Sementara itu, kapasitansi turun seiring dengan lamanya waktu perlakuan panas. Struktur kristal zirkaloy-4 yang terbentuk adalah heksagonal tumpukan padat (HCP). Regangan kisi zirkaloy-4 naik seiring dengan naiknya waktu pemanasan, kecuali pada temperatur 300 o C. Ukuran butiran zirkaloy-4 naik seiring dengan naiknya waktu pemanasan.